Štruktúra fotodetektora InGaAs

ŠtruktúraInGaAs fotodetektor
Od 80. rokov 20. storočia výskumníci študujú štruktúru fotodetektorov InGaAs, ktoré možno zhrnúť do troch hlavných typov: kov InGaAs polovodič kovfotodetektory(MSM-PD), InGaAsPIN fotodetektory(PIN-PD) a InGaAslavínové fotodetektory(APD-PD). Existujú významné rozdiely vo výrobnom procese a nákladoch fotodetektorov InGaAs s rôznymi štruktúrami a existujú aj významné rozdiely vo výkone zariadenia.
Schematický diagram štruktúry kovového polovodičového kovového fotodetektora InGaAs je znázornený na obrázku, čo je špeciálna štruktúra založená na Schottkyho prechode. V roku 1992 Shi a kol. použili technológiu nízkotlakovej kovovo-organickej epitaxie z plynnej fázy (LP-MOVPE) na rast epitaxných vrstiev a prípravu fotodetektorov InGaAs MSM. Zariadenie má vysokú citlivosť 0,42 A/W pri vlnovej dĺžke 1,3 μm a tmavý prúd menší ako 5,6 pA/μm² pri 1,5 V. V roku 1996 výskumníci použili plynnofázovú molekulárnu lúčovú epitaxiu (GSMBE) na rast epitaxných vrstiev InAlAs InGaAs InP, ktoré vykazovali vysoké charakteristiky rezistivity. Podmienky rastu boli optimalizované pomocou meraní röntgenovej difrakcie, čo viedlo k mriežkovému nesúladu medzi vrstvami InGaAs a InAlAs v rozsahu 1 × 10⁻³. V dôsledku toho bol výkon zariadenia optimalizovaný s tmavým prúdom menším ako 0,75 pA/μ m² pri 10 V a rýchlou prechodovou odozvou 16 ps pri 5 V. Celkovo má fotodetektor so štruktúrou MSM jednoduchú a ľahko integrovateľnú štruktúru, ktorá vykazuje nižší tmavý prúd (úroveň pA), ale kovová elektróda znižuje efektívnu plochu absorpcie svetla zariadenia, čo má za následok nižšiu citlivosť v porovnaní s inými štruktúrami.

PIN fotodetektor InGaAs má vnútornú vrstvu vloženú medzi kontaktnú vrstvu typu P a kontaktnú vrstvu typu N, ako je znázornené na obrázku, ktorá zväčšuje šírku oblasti ochudobnenia, čím vyžaruje viac párov elektrónových dier a vytvára väčší fotoprúd, čím vykazuje vynikajúcu elektronickú vodivosť. V roku 2007 výskumníci použili MBE na pestovanie nízkoteplotných vyrovnávacích vrstiev, čím zlepšili drsnosť povrchu a prekonali nesúlad mriežky medzi Si a InP. Integrovali PIN štruktúry InGaAs na substráty InP pomocou MOCVD a citlivosť zariadenia bola približne 0,57 A/W. V roku 2011 výskumníci použili PIN fotodetektory na vývoj zobrazovacieho zariadenia LiDAR s krátkym dosahom na navigáciu, vyhýbanie sa prekážkam/zrážkam a detekciu/rozpoznávanie cieľov malých bezpilotných pozemných vozidiel. Zariadenie bolo integrované s lacným mikrovlnným zosilňovačom, čím sa výrazne zlepšil pomer signálu k šumu PIN fotodetektorov InGaAs. Na tomto základe výskumníci v roku 2012 aplikovali toto zobrazovacie zariadenie LiDAR na roboty s detekčným dosahom viac ako 50 metrov a rozlíšením zvýšeným na 256 × 128.
Lavínový fotodetektor InGaAs je typ fotodetektora so zosilnením, ako je znázornené na štruktúrnom diagrame. Páry elektrónových dier získavajú dostatočnú energiu pôsobením elektrického poľa vo vnútri oblasti zdvojenia a zrážajú sa s atómami, čím vytvárajú nové páry elektrónových dier, čím vytvárajú lavínový efekt a zdvojnásobujú nerovnovážne nosiče náboja v materiáli. V roku 2013 výskumníci použili MBE na pestovanie mriežkovo prispôsobených zliatin InGaAs a InAlAs na substrátoch InP, pričom modulovali energiu nosičov prostredníctvom zmien v zložení zliatiny, hrúbky epitaxnej vrstvy a dopovania, čím maximalizovali ionizáciu elektrošokom a zároveň minimalizovali ionizáciu dier. Pri ekvivalentnom zosilnení výstupného signálu vykazuje APD nízky šum a nižší tmavý prúd. V roku 2016 výskumníci zostrojili experimentálnu platformu pre aktívne zobrazovanie laserom s vlnovou dĺžkou 1570 nm založenú na lavínových fotodetektoroch InGaAs. Vnútorný obvod...APD fotodetektorprijímané ozveny a priamo vydávané digitálne signály, vďaka čomu je celé zariadenie kompaktné. Experimentálne výsledky sú znázornené na obrázkoch (d) a (e). Obrázok (d) je fyzická fotografia zobrazovacieho cieľa a obrázok (e) je trojrozmerný obraz vzdialenosti. Je jasne vidieť, že oblasť okna v zóne C má určitú hĺbkovú vzdialenosť od zón A a B. Táto platforma dosahuje šírku impulzu menej ako 10 ns, nastaviteľnú energiu jedného impulzu (1-3) mJ, uhol pohľadu 2 ° pre vysielaciu a prijímaciu šošovku, opakovaciu frekvenciu 1 kHz a pracovný cyklus detektora približne 60 %. Vďaka internému zosilneniu fotoprúdu, rýchlej odozve, kompaktným rozmerom, odolnosti a nízkym nákladom na APD môžu fotodetektory APD dosiahnuť detekčnú rýchlosť, ktorá je o rád vyššia ako fotodetektory PIN. Preto v súčasnosti bežné laserové radary používajú hlavne lavínové fotodetektory.